DE102006014222B4

DE102006014222B4 - Kolben einer hydrostatischen Kolbenmaschine mit bei Betriebstemperatur konvexer Kontur längs der Kolbenlauffläche

Info

Publication number: DE102006014222B4
Application number: DE200610014222
Authority: DE
Inventors: Harald Kuhn
Original assignee: Linde Hydraulics GmbH and Co KG
Current assignee: Linde Hydraulics GmbH and Co KG
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2014-10-09
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: DE102006014222A1

Abstract

Kolben einer hydrostatischen Kolbenmaschine, insbesondere Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise, mit einer mantelseitigen Kolbenlauffläche, die zur Anlage gegen eine Zylinderbohrung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) einen Hohlraum (2) aufweist, in dem ein Dehnkörper (3) angeordnet ist, der aus einem Material mit größerem Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht als das Material der den Dehnkörper (3) umgebenden Kolbenwand (W) des Kolbens (1), und dass die bei kaltem Kolben (1) zylindrische Kolbenlauffläche (L) bei Betriebstemperatur eine – im Längsschnitt gesehen – durch temperaturabhängige elastische Verformung erzeugte konvexe Kontur (K) längs der Kolbenlauffläche (L) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben einer hydrostatischen Kolbenmaschine, insbesondere Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise, mit einer mantelseitigen Kolbenlauffläche, die zur Anlage gegen eine Zylinderbohrung vorgesehen ist.
Aus der DE 32 04 264 A1 ist ein mehrteiliger Kolben einer hydrostatischen Kolbenmaschine bekannt, der aus einem zylindrischen Kolben mit einem koaxial zur Außenfläche ausgebildeten Hohlraum besteht, in dem ein Füllstück aus leichterem Werkstoff als der Kolben eingesetzt ist.
Die US 3 741 077 A offenbart einen aus Metall bestehenden Kolben einer hydrostatischen Kolbenmaschine, der mit einem Hohlraum versehen ist, der mit eingegossenem polymeren Material gefüllt ist, um das Gewicht des Kolbens zu verringern.
Aus der DE 31 14 286 A1 ist ein Kugelkolben für einen Verdichter bekannt, wobei der Kugelkolben aus einem Kolbenkörper, einem an dem Kolbenkörper angeordneten Ring mit einer kugeligen Außenfläche und einer die Stirnfläche des Kugelkolbens bildenden Kappe besteht. Der Werkstoff des Kolbenkörpers und/oder der Kappe weist einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Werkstoff des in einer ringförmigen Vertiefung des Kolbenkörpers radial festsitzenden Ringes auf, um ein Lösen des Ringes von der Sitzfläche an dem Kolbenkörper bei einer Erwärmung im Betrieb zu vermeiden.
Aus dem Fachartikel „Der hartgedrehte Kolben für Schrägscheibenmaschinen” (erschienen in O+P „Ölhydraulik und Pneumatik” 47, 2003, Nr. 2, Seiten 102–107) ist ein gattungsgemäßer Kolben bekannt, dessen Kolbenlauffläche – im Längsschnitt gesehen – eine ballige bzw. konvexe Kontur läng der Kolbenlauffläche aufweist, wodurch die Laufeigenschaften eines solchen Kolbens gegenüber einem Kolben mit einer zylindrischen Kontur der Kolbenlauffläche verbessert sind. Zur Herstellung der konturierten Kolbenlauffläche kommt das Hartdrehen als spanabhebendes Fertigungsverfahren zum Einsatz. Gegenüber dem für die Herstellung eines Kolbens mit zylindrischer Kontur der Kolbenlauffläche verwendeten spitzenlosen Feinschleifen ist Hartdrehen jedoch weit aufwendiger und teurer.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Kolben der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, der einen geringen Fertigungsaufwand und gute Laufeigenschaften im Betrieb aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kolben einen Hohlraum aufweist, in dem ein Dehnkörper angeordnet ist, der aus einem Material mit größerem Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht als das Material der den Dehnkörper umgebenden Kolbenwand des Kolbens, und dass die bei kaltem Kolben zylindrische Kolbenlauffläche bei Betriebstemperatur eine – im Längsschnitt gesehen – durch temperaturabhängige elastische Verformung erzeugte konvexe Kontur längs der Kolbenlauffläche aufweist.
Der erfindungswesentliche Gedanke besteht demnach darin, die für das Laufverhalten optimale Mantelgeometrie des Kolbens, also die in Längsrichtung konvexe Kontur der Kolbenlauffläche, nur während des Betriebs durch temperaturabhängige elastische Verformung des Kolbens zu erzielen. Die gezielte Verformung des Kolbens wird durch ein bei Erwärmung auf Betriebstemperatur bewirktes Aufweiten des Dehnkörpers verursacht.
Bei dem erfindungsgemäßen Kolben weist die Kolbenlauffläche im kalten Ausgangszustand wie bei den Kolben des Standes der Technik eine idealzylindrische Kontur auf. Bei der Herstellung des Kolbens mit einer zylindrischen Kolbenlauffläche kann daher, wie üblich, das einfach anzuwendende und preisgünstige, spitzenlose Feinschleifen zum Einsatz kommen.
Da der erfindungsgemäße Kolben im Prinzip als Hohlkolben ausgebildet ist und das für den Dehnkörper verwendete Material nicht nur einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten sondern auch ein geringeres spezifisches Gewicht als das Kolbenmaterial hat, ist die Masse des erfindungsgemäßen Kolbens kleiner als die Masse der im Stand der Technik häufig verwendeten Vollkolben. Dadurch sind die im Betrieb auftretenden Massenträgheitskräfte verringert. Eine mit den erfindungsgemäßen Kolben ausgerüstete hydrostatische Kolbenmaschine kann daher mit höheren Drehzahlen betrieben werden.
Ferner ist beim erfindungsgemäßen Kolben die Abfuhr der durch die Reibung zwischen Kolben und Zylinderbohrung entstehenden Reibungswärme verbessert.
Schließlich ist beim erfindungsgemäßen Kolben das Kolbenspiel in der Zylinderbohrung verringert, wodurch die Leckverluste minimiert werden.
Fertigungstechnisch günstig ist es, wenn der in den Kolben eingearbeitete Hohlraum als Bohrung ausgebildet ist.
Zweckmäßigerweise ist der Dehnkörper als Zylinderkörper ausgebildet, der gegen die radial zwischen der Bohrung und der Kolbenlauffläche gebildete Kolbenwand des Kolbens anliegt.
Um den Dehnkörper innerhalb der Bohrung zu fixieren, ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Bohrung im Bereich des äußeren Bohrungsendes mit einem in Wirkverbindung mit dem Dehnkörper stehenden Sicherungsring versehen.
Sofern in Weiterbildung der Erfindung der Dehnkörper mit einer axial durchgehenden zentrischen Ausnehmung versehen ist, die in Längsrichtung eine konkave Kontur mit einem im Durchmesser verengten Mittelbereich und mit im Durchmesser erweiterten Endbereichen aufweist, ergibt sich durch die Formgebung des Dehnkörpers die gewünschte konvexe Kontur der Kolbenlauffläche. Hierbei wird durch die Materialanhäufung im Mittelbereich des Dehnkörpers die umgebende Kolbenwand des Kolbens nach außen gedrückt und die gewünschte konvexe Kontur der Kolbenlauffläche erzielt.
Die durchgehende zentrische Ausnehmung dient darüber hinaus der Druckölversorgung und damit der hydrostatischen Entlastung eines am Kolbenende gelenkig angebrachten Gleitschuhs.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bestehen der Kolben aus Stahl und der Dehnkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in der schematischen Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figur zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben 1 zur Verwendung in einer Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise. Hierbei ist der Kolben 1 in einer in der Figur nicht dargestellten Zylinderbohrung angeordnet und gleitet in Längsrichtung mit einer mantelseitigen Kolbenlauffläche L in dieser Zylinderbohrung, wobei auch eine Drehbewegung überlagert sein kann.
In den Kolben 1 ist ein als Bohrung 2 ausgeführter Hohlraum eingearbeitet, in dem sich ein zylindrischer Dehnkörper 3 befindet. Dieser liegt an der radial zwischen der Bohrung 2 und der Kolbenlauffläche L gebildeten Kolbenwand W des Kolbens 1 an und ist in axialer Richtung zum offenen Bohrungsende der Bohrung 2 hin durch einen Sicherungsring 4 axial fixiert. Der Dehnkörper 3 weist eine durchgehende zentrische Ausnehmung 5 auf, die in Längsrichtung mit einer konkaven Kontur versehen ist, wobei ein Mittelbereich im Durchmesser verengt ist und die Endbereiche im Durchmesser erweitert sind. Durch die zentrische Ausnehmung 5 wird ein mit dem Kolben 1 kugelgelenkig verbundener Gleitschuh 6 mit Drucköl versorgt, so dass dieser hydrostatisch entlastet auf einer huberzeugenden Laufbahn gleiten kann.
Der Dehnkörper 3 besteht aus einem Material mit einem größeren Wärmeausdehnungskoffezienten als das Material, aus dem der Kolben 1 besteht. Beispielweise handelt es sich bei dem Kolbenmaterial um Stahl, während für den Dehnkörper 3 Aluminium oder eine Aluminiumlegierung Verwendung findet.
Im Ausgangszustand, d. h. bei kaltem Kolben (Umgebungstemperatur), ist die Kolbenlauffläche 1 zylindrisch, weist also in Längserstreckung keine Verformungen auf. Mit zunehmender Temperatur dehnen sich der Kolben 1 und der Dehnkörper 3 aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten unterschiedlich stark aus, wobei sich der Dehnkörper 3 stärker ausdehnt. Dadurch wird der Kolben 1 im Bereich der Kolbenwand W verformt. Das Verformungsverhalten des Kolbens 1 wird insbesondere durch die Abmessungen und die Geometrie des Dehnkörpers 3 und der Kolbenwand W, durch die Wärmeausdehnungskoeffizienten und Elastizitätsmodule von Dehnkörper 3 und Kolben 1 und durch die zulässige Fugenspannung bestimmt.
Bei Betriebstemperatur ist der Kolben 2 durch die stärkere Ausdehnung des Dehnkörpers 3 soweit verformt, dass die Kolbenlauffläche L in Bezug auf ihre Längserstreckung eine konvexe Kontur K aufweist (siehe gestrichelte Linie als nichtmaßstäbliche, stark überhöhte Darstellung). In diesem Zusammenhang hat auch die Formgebung der zentrischen Ausnehmung 5 im Dehnkörper 3 einen Anteil an der Erzeugung der konvexen bzw. balligen Kontur K der Kolbenlauffläche L. Die Materialanhäufung im Mittelbereich des Dehnkörpers 3 drückt dabei die umgebende Kolbenwand W des Kolbens 1 in diesem Bereich stärker nach außen als in den Endbereichen.
Durch die konvexe Kontur K längs der Kolbenlauffläche L ergibt sich ein verbessertes Laufverhalten des Kolbens 1 innerhalb der Zylinderbohrung. Ferner ist die Wärmeabfuhr aus dem Reibungsbereich zwischen Zylinderbohrung und Kolbenlauffläche L verbessert. Der gegenüber Vollkolben leichtere erfindungsgemäße Kolben 1 erlaubt höhere Maschinendrehzahlen.

Claims

Kolben einer hydrostatischen Kolbenmaschine, insbesondere Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise, mit einer mantelseitigen Kolbenlauffläche, die zur Anlage gegen eine Zylinderbohrung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) einen Hohlraum (2) aufweist, in dem ein Dehnkörper (3) angeordnet ist, der aus einem Material mit größerem Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht als das Material der den Dehnkörper (3) umgebenden Kolbenwand (W) des Kolbens (1), und dass die bei kaltem Kolben (1) zylindrische Kolbenlauffläche (L) bei Betriebstemperatur eine – im Längsschnitt gesehen – durch temperaturabhängige elastische Verformung erzeugte konvexe Kontur (K) längs der Kolbenlauffläche (L) aufweist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum als Bohrung (2) ausgebildet ist.
Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dehnkörper (3) als Zylinderkörper ausgebildet ist, der gegen die radial zwischen der Bohrung (2) und der Kolbenlauffläche (L) gebildete Kolbenwand (W) des Kolbens (1) anliegt.
Kolben nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (2) im Bereich des äußeren Bohrungsendes mit einem in Wirkverbindung mit dem Dehnkörper (3) stehenden Sicherungsring (4) versehen ist.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Dehnkörper (3) mit einer axial durchgehenden zentrischen Ausnehmung (5) versehen ist, die in Längsrichtung eine konkave Kontur mit einem im Durchmesser verengten Mittelbereich und mit im Durchmesser erweiterten Endbereichen aufweist.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) aus Stahl und der Dehnkörper (3) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.